《火星计划》

1926年，“现代火箭之父”——罗伯特·戈达德（Robert Goddard）发射了第一枚液体燃料驱动的火箭，发射高度约为13米。不知当时的他能否预见，在101年以后人类就会将足迹印在火星之上。研究的进程是不断推进的，我们可以往回追溯到“二战”期间，一个名叫韦纳·冯·布劳恩的前纳粹军官。冯·布劳恩（Wernher von Braun）拥有过人的火箭研究天赋，正是因为这天赋太过耀眼，引起了阿道夫·希特勒的关注，并最终为希特勒创造了震惊世界的恐怖武器。他基于罗伯特·戈达德的发明所设计的火箭（导弹），成功发射并在伦敦坠毁。但仅仅在先进的V－2复仇者导弹被发射并飞跃北海（大西洋东北部的边缘，由大不列颠岛等多个岛屿围成）4年之后的1948年，时年36岁的冯·布劳恩就和一群德国火箭科学家一起开始了在美国得克萨斯州布里斯堡的战犯生活。

美国军队将冯·布劳恩和他的工程师团队秘密带离德国，并严密监视起来，只有在卫兵的陪同下才能离开美军基地。因此，冯·布劳恩和他的团队只能将非凡的才华用于帮美国研究和建造弹道导弹，以打发时光，但他们依然时常无事可做。所以，作为世界上最先进的火箭研究计划的前带头人，冯·布劳恩决定针对他最爱的主题——宇宙空间探索——写一本书。这本书在相当长一段时间内都未能出版，直到1952年以《火星计划》（Das Marsprojekt）为名在德国出版。紧接着，伊利诺伊大学出版社于1953年出版了该书的英文版。直到今天，这本只有91页的简明手册依然是最具影响力的星际旅行指南。它从未过时，其中的很多内容还发挥着对人类火星登陆计划的指引作用。

冯·布劳恩在书中的设想十分宏大：整个飞行计划将有70人参与，组成一支包括10艘宇宙飞船的舰队，其中3艘货物飞船将不会返回地球。

“我想现在是时候来彻底推翻单级太空火箭理论及其鲁莽的星际冒险计划了，”冯·布劳恩写道，“像漂浮在轨道外的温水壶一样的装置永远不可能逃离地心引力飞向火星。”

冯·布劳恩计划在地球轨道上的空间站里建造宇宙飞船，设备和物料将通过46颗可重复使用的三级火箭进行运送。火箭的前两级会降落至地面，第三级则会飞回地球。冯·布劳恩在1948年完成了大部分计算并对未来进行了精准的预测，他预言了美国航天飞船，以及太空开发技术公司（Space Exploration Technologies Corporation）正在努力建造的可重复使用轨道火箭，一种可以在24小时内重新注入燃料并发射的火箭。1953年，冯·布劳恩进一步测算出要在空间站建造和发动这10艘宇宙飞船将需要至少990架摆渡飞机运送物资。

冯·布劳恩的火星旅行计划需要用到一种节省燃料的方法——霍曼转移轨道理论^[1]。按照该方法，原本围绕圆形的地球轨道运行的宇宙飞船可以较为容易地启动引擎推进，即“一次燃烧”——逐渐加速并转换为一个近似于火星绕太阳公转的椭圆形轨道，然后与火星公转轨道连结。此后，飞船就以滑行的方式运行而不需要消耗燃料，直到快要接近火星时，第二次燃烧将启动，使飞船降低速度并进入绕火星飞行的轨道。这个过程有点像人猿泰山在从一棵树跳到另一棵距离较远的树上时，需先借助一根长藤蔓荡到两棵树中间，然后借助另一根短一些的藤蔓以选择树枝落脚。这种方法的关键在于精准地把握火星与地球轨道重合的时机。

向火星出发的合适的发射窗口大约每25个月会出现一次，但霍夫曼转移轨道节省燃料的滑行方式需要付出较长的时间代价，一次单程航行就需要8个月时间。大约每隔15年，火星和地球会运行到距离较近的位置，从而可以大大缩减航行时间。现在也已经出现了其他的火星登陆理论，提出了一些节省火箭燃料的方法，包括通过大量燃料的集中燃烧以保持直线飞行，使总航程低于霍曼转移轨道。另外还有一些尚待验证的大胆理论，包括核聚变和核电力推进系统，如果这些方法可行，则可以将单程航行时间极大地缩减到90天以内。

按照冯·布劳恩的方式，宇航员抵达火星之后将不得不进行长达400天的停留探索，以等待地球运行到下一个合适的位置，才能实现再一次霍曼轨道转移并返航。

在《火星计划》被写就的年代，科学家们还远没发现范艾伦辐射带^[2]的屏蔽效应（火星附近不存在高能电粒子）、长时间失重、严重的太阳辐射（冯·布劳恩曾对宇宙辐射进行测算）、火星的实际地形以及其他诸多影响因素，但已经对火星大气层密度的退化有了详细估算。苏联在1957年发射了“伴侣号”（Sputnik）人造卫星，比冯·布劳恩书中的预测提前了10年。冯·布劳恩在书中也坦言他并未考虑流星这个不确定因素，但已经意识到长时间失重对宇航员的影响，进而提出将舰队中的飞船用巨缆互相连接，使它们像很多个溜溜球一样，一个绕着另一个旋转，以制造出类似重力的作用。

美国宇航局的“水手4号”在1965年飘过火星时，传回了令人震惊的发现：第一，火星大气层远比科学家们预测的要稀薄，薄到几乎不存在；第二，火星上几乎是不可能有生物存在的。像20世纪60年代的大多数人一样，冯·布劳恩也幻想着火星的地下世界里可能存在着某些外星生物，他甚至在1949年以一种浪漫主义的、老掉牙的小说式笔调，在《火星计划》一书中对想象中的火星文明进行描绘。为了从火星轨道降落到火星地面，冯·布劳恩设计了小空间飞机，由于火星空气稀薄，这些飞机可能无法如愿起飞，但冯·布劳恩已经预想到可能会出现诸如此类的意外困难，并提供了几套后备方案，例如这些飞机的机翼可以根据当时的具体情况选择自行脱落。

冯·布劳恩也考虑到在数月甚至数年的长时间飞行中，飞行员长期幽闭在狭小的封闭空间，可能会产生心理障碍。他设计了穿梭机，让飞行员在去往火星的漫长旅程中可以在飞船之间来回穿梭。在接下来的测算中，冯·布劳恩让载人飞船可以为每个人搭载12吨氧气、8吨食物和13吨饮用水，而且每艘飞船都可以循环利用废水，并回收蒸发到空气中的水分。

在《火星计划》一书的技术附录里，一组关于宇宙飞行中飞船要脱离地心引力所需要燃料的数量统计十分引人注目。冯·布劳恩舰队中的10艘飞船的平均重量约3 600吨，其中有3 200吨都是火箭的燃料。当这些飞船返回地球时，他们的重量将只有原来的1%。

《火星计划》一书是冯·布劳恩这位科学天才的思想精华，极富前瞻性。但遗憾的是，冯·布劳恩和罗伯特·戈达德的研究领先于那个时代太多，很多人都无法理解，因而无端遭受了很多媒体的负面宣传和批评，甚至受到了当时无法理解他们理论的权威人士的指责。在戈达德指出火箭可以实现人类登陆月球梦想的时候，这条新闻登上了《纽约时报》的封面头条，但同时该报社论文章对戈达德的观点进行了嘲讽。（直到约50年之后，“阿波罗11号”被发射的第二天，《纽约时报》才公开刊登了更正声明。）

当冯·布劳恩在20世纪50年代初期严肃地提出登陆火星计划的时候，一定也被认为是无稽之谈，这种不理解甚至可能来自于科学家和工程师们——向近地轨道的空间站发射成百上千颗火箭以建造10艘星际旅行的飞船，然后由飞船搭载着上百万吨燃料、氧气和食物飞往火星？开玩笑吧！

但冯·布劳恩的计划让很多美国大众为之着迷。《科利尔》（Collier's）杂志连续刊登了8个关于星际旅行的专题，其中就包括了冯·布劳恩对如何登上火星的详细描述。

在冯·布劳恩之前有大量的梦想家曾经对星际旅行进行过严肃的思考，但还没有一个人提出过详细的计划和精确的测算。冯·布劳恩的方案具有完善的飞行轨道设计、完整的公式搭建、详尽的技术图纸和精确的计算过程，他甚至给出了火箭发射日期将是1965年的某一天。他的计划直截了当，切中实际——火星假想旅行与实际登陆之间的最大差别便是切实的努力和投入。

为了更好地理解《火星计划》一书的重要意义，我们可以回顾一下卡尔·萨根（Carl Sagan）写于1985年的科幻小说《超时空接触》（Contact）带给人们的震撼。小说详细描写了人类在来自宇宙未知时空的神秘文明的指引下如何建造宇宙飞船，并最终到达神秘外星世界的故事。对于20世纪50年代早期的人们来说，冯·布劳恩的研究就如同小说中神秘的地外文明一样，指明了人类探索宇宙的方向。而两者最大的区别在于，《火星计划》不是科幻小说，而是一本严谨的科学著作。

20世纪60年代后期，冯·布劳恩因为主持完成了阿波罗登月计划中的“土星5号”火箭而名声大震。由于声望的日渐提高，冯·布劳恩得以迅速说服美国宇航局和美国国会，将火星作为下一个征服的目标。这一次他的计划是发射两艘由核动力驱动的宇宙飞船。他利用所有场合和机会告诉他的听众，登陆火星的发射计划可以在20世纪80年代实现。

但与以往的计划不同的是，冯·布劳恩这一次的计划被摆上了美国总统理查德·尼克松的案头。在阿波罗工程完成之后，美国需要有新的科研计划，但冯·布劳恩的火星计划最终败给了航天飞机研究计划，原因之一是军方和情报机构认为航天飞机对于发射和修复间谍卫星具有十分重要的作用。尽管美国宇航局的行为看起来一向是透明和公开的，但在1982～1992年这10年间，他们进行了11次秘密的航天飞行任务。大部分飞船的研发都是由军方和情报机构的需求驱动的。尼克松总统还决定终止冯·布劳恩的“土星5号”火箭——有史以来规模最大、最完善的载重火箭的研究。没有了强有力的火箭推进宇宙飞船，星际旅行的研究也只能就此停步不前。如果美国当时选择了火星计划而非航天飞机，也许美国现在已经在火星建立了永久基地。冯·布劳恩明白，他和美国宇航局前进的方向已经不再相同，因此于1972年从宇航局退休。

直到《火星计划》一书出版了62年后，我们对火星的了解才因为“好奇号”火星探测器所传回的一组照片而有所增加。“好奇号”于2012年降落至火星表面，开始探索火星的地表情况。如果美国宇航局和尼克松总统当时更加认真地对待冯·布劳恩的提案，现在的情况就可能是由宇航员驾驶着“好奇号”探测车在火星上穿梭。

航天飞船项目使美国的宇宙探索进入了长期而缓慢倒退的过程，让研究机构陷入了一种缺乏探索方向与激情的空虚状态，即使美国人民不一定明显感觉得到。征服不同星球的激动变成了没有观众的太空行走。美国宇航局聚焦在一个对星际旅行推动作用甚微的过时的火箭研究计划上，飞行计划屡次失败，即使成功了也面临哪儿都去不了的窘境，直到有了宇宙空间站可以与之对接。该计划仅存的理由是可以向国际空间站（ISS）运送宇航员和货物，而国际空间站项目本身实质上也是个用处不大的傻大个儿。

备受尊敬的英国皇家宇航员马丁·里斯（Martin Rees）伯爵，对国际空间站项目几乎没有正面评价，他曾说：“没有人会在意国际空间站上进行的研究，那些成果仅仅能值回一小部分成本。它存在的主要意义在于保持载人太空研究能够继续，看看人类在太空中要怎么生存和工作。而在这个领域中，最积极的发展成效来自于私人企业，他们用远低于美国宇航局及其常用供应商的成本推进着太空科技和火箭的发展进步。”

美国宇航局浪费的大把时间，以及对其供应商高成本运作方式的纵容，给了私人企业超越它们的机会。美国宇航局135个航天飞行任务的平均科研成本每架高达1亿美元。理应有人可以比美国宇航局做得更好、更快、更省。而这样的人已经出现了，也正是他们，使得人类离登陆火星的梦想又近了一步。

[1] 在太空动力学，霍曼转移轨道（Hohmann transfer orbit）是一种变换太空船轨道的方法，途中只需两次引擎推进，相对节省燃料。德国物理学家瓦尔特·霍曼于1925年出版了相关著作。——译者注

[2] 范艾伦辐射带，指在地球附近的近层宇宙空间中包围着地球的高能辐射层，由美国物理学家詹姆斯·范·艾伦发现并以其名字命名。范艾伦辐射带分为内外两层，内外层之间存在范艾伦带缝，缝中辐射很少。——译者注